JP4003185B2

JP4003185B2 - 金属微小球

Info

Publication number: JP4003185B2
Application number: JP2003168176A
Authority: JP
Inventors: 伸彦千綿
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2003-06-12
Filing date: 2003-06-12
Publication date: 2007-11-07
Anticipated expiration: 2023-06-12
Also published as: JP2005002428A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品の接続端子部等に用いるＣｕからなる金属微小球に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器に対しては、小型化、高性能化に対する要求が益々高まっている。その要求に応えるため電子機器に用いられる配線基板や、電子部品においては、多層化による配線基板の高密度化や、配線基板に搭載するＩＣ等の電子部品と配線基板間における接続端子部の微小化による高密度実装化の検討が精力的に行われている。
配線基板の多層化は、例えば、各層を構成する基板にビアホールと称される貫通孔を形成し、このビアホールの内周部にＣｕなどのメッキを施して導電用ビアを形成する方法により行われている。また、接続端子部の微小化については、直径が数百μｍに予め成形されたはんだボールなどを用いて、電子部品や基板上に微小なはんだバンプを形成しておき、このはんだバンプを溶融させて電気的に接続する方法が実用化されている。
【０００３】
上記のビアホールの形成方法はメッキ工程が必須であるが、メッキ工程ではメッキ条件の緻密な管理を要し、またメッキに用いた廃液の管理も問題となる為、一方においてはメッキ工程を要さない配線基板の多層化技術についても検討が行われている。
メッキ工程を要さない配線基板の多層化技術の一つとして、Ｃｕ等からなる金属微小球を用いた方法が検討されている（例えば特許文献１参照。）。この方法では、基板を構成する絶縁部材（絶縁シート）に貫通孔を形成した後、メッキ処理に代えて、絶縁部材の厚さと比べて直径が１〜１００μｍ大きい金属微小球を貫通孔に埋め込むことで導電用ビアを形成する。この導電用ビアでは、基板と比べて直径の大きい金属微小球を用いることで、金属微小球の一部を基板から突出させ、この突出した部分を上下に隣接する基板に予め形成されている配線に接触させることで、積層した配線基板間の電気的な接続を達成している。
【０００４】
また、配線基板に搭載するＩＣ等の電子部品と配線基板間における接続端子部についても、Ｃｕ等の金属微小球を用いることによる接続端子部の微小化、高密度実装化が検討されている（例えば特許文献２参照。）。
特許文献２には、金属微小球と熱硬化性、及び光硬化性を有する樹脂とを混練して異方性導電樹脂とし、この異方性導電樹脂を用いて電子部品等と配線基板とを電気的に接続する技術が開示されている。この接続方法では、異方性導電樹脂を介して配線基板と電子部品等とを圧接し、電気的な導通を要する端子部間に位置する異方性導電樹脂中の金属微小球を端子部に接触させることにより導通を達成する。
【０００５】
はじめに述べた従来のはんだボールなどを用いる接続方法では、所定の端子位置にはんだボールを過不足なく正確に配することが必要である為、高密度化された端子部に適用する場合にははんだボールの搭載に高いコストを要するのに対し、異方性導電樹脂を用いた方法は、搭載コストが殆ど問題とならないという大きな特徴を有している。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−２９３９６８号公報
【特許文献２】
特開２００３−６０３２７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、金属微小球を用いた配線基板の多層化、接続端子部の微小化技術は、それぞれ高密度化を達成しつつ、工数、コストの低減を達成できる点において有望な技術である。しかしながら金属微小球を用いた方法では、何れも形状が球の金属を用いて接続を行うことに起因する、以下に述べる問題を包含している。
【０００８】
先ず、金属微小球を用いた方法では、電気的な導通を要する端子部と金属微小球とが、面ではなく点接触となる。その為、接触が不十分となり接続部分での電気抵抗が大きくなる等、従来の方法と比べて接続信頼性が低いという問題を生じる。
また、直径が一定でない金属微小球を用いた場合には、直径の大きい特定の金属微小球のみが電気的な導通に寄与し、小さい金属微小球が機能しないことも接続信頼性低下の原因となる。直径の大きい金属微小球は端子部に接触して電気的な導通に寄与するが、同時に端子部間の間隔を決めるスペーサとしても働くので、直径の小さい金属微小球は端子部と接触することなく端子部間に存在することになる。このため金属微小球の直径分布や形状のバラツキも接続信頼性に影響するのである。
【０００９】
さらに、金属微小球により導電用ビアを形成して配線基板の多層化を行った場合には、多層化した後の配線基板における寸法精度の低下も懸念される。導電用ビアの配置が配線基板上の特定箇所に集中する場合には、金属微小球が基板から突出していることに起因して積層した配線基板同士が非平行となる等、多層化した後の配線基板厚さが不均一となり、寸法精度が低下するのである。
【００１０】
本発明は、金属微小球を用いて配線基板の多層化や、接続端子部の微小化等を達成するにおいて、以上に述べた問題を解消し、電気的な接続信頼性や、多層化後の配線基板における寸法精度を向上することが可能な金属微小球を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、金属微小球の成分を厳密に制御することで上述の課題を改善できることを見出し、本発明に想到した。
すなわち本発明は、純度が９９．９９質量％以上のＣｕからなり、表面酸化層を含む酸素含有量が５０ｐｐｍ以下、直径が４００μｍ以下である金属微小球である。
本発明において、金属微小球は上部台形型ダイアモンド圧子とＳＫＳ平板の下部加圧板とからなる微小圧縮試験器を用い、室温において測定した際の変位量１０％における変形抵抗が３５００ｍＮ以下であることが好ましい。
また、金属微小球は溶湯から球状に凝固されてなることが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明者は、電子部品の接続端子部等に用いる金属微小球においては、電気伝導性に優れる（比抵抗が小さい）のみならず、外力に対する変形抵抗が小さいことが重要であるとの観点から金属微小球の成分の検討を行った。
そして、成分において純度が９９．９９質量％以上のＣｕからなり、表面酸化層を含む酸素含有量が５０ｐｐｍ以下とすることで、電気伝導性に優れ、変形抵抗の小さい金属微小球が得られることを見出した。
【００１３】
本発明において金属微小球に純度が９９．９９質量％以上のＣｕを用いるのは、そもそもＣｕは電気伝導性に優れ、かつ変形抵抗の小さい材料であるが、純度を９９．９９質量％以上とすることでより変形抵抗を低減できるからである。
また、本発明者の検討によれば、Ｃｕからなる金属微小球においては酸素含有量が変形抵抗に大きく影響するので、本発明では表面酸化層を含む酸素含有量が５０ｐｐｍ以下とする。
【００１４】
従来、Ｃｕの微小球はＣｕを加熱、溶融して表面張力により球状化させた後、凝固させる方法で製造される為、特に直径が４００μｍ以下、さらには３００μｍ以下となる金属微小球においては一層、表面酸化層を含む酸素含有量が５０ｐｐｍ以下を製造することは困難であった。これは体積に対する比表面積が大きくなる微小球では、球状化の際の凝固前後における表面酸化が全体の酸素含有量に大きく影響する為である。これに対して本発明者は動作ガスにアルゴンなどの不活性ガスないしは水素などの還元性のガス、単体もしくは混合ガスをプラズマ動作ガスとした熱プラズマ中に、純高純度のＣｕ金属粉末、好ましくは純度が９９．９９質量％以上でかつ酸素含有量が５０ｐｐｍ以下のＣｕ金属粉末を投入する方法により、本発明の金属微小球の製造を可能とした。
【００１５】
熱プラズマを用いた方法では、熱プラズマ中に投入されたＣｕ金属粉末は不活性または還元雰囲気中で溶解、球状化が行われるので、金属微小球表面での酸化を生じ難い。加えて、熱プラズマ自体の温度が５０００〜１００００℃と非常に高温であることから、熱プラズマ投入前のＣｕ金属粉末が酸化している場合でも、その酸化物が解離して酸素は飛散するので、球状化により酸素含有量を低減することが出来る。これらの複合効果により、純度が９９．９９質量％以上のＣｕからなり、表面酸化層を含む酸素含有量が５０ｐｐｍ以下を得ることが可能となるのである。また、上記の製造方法は大量の金属微小球を短時間に製造することが可能であり、製造効率の点においても好適である。さらに上記の製造方法では溶湯から直接球状に凝固するので球状化の為の加工が不要であり、加工硬化を生じない点からも好適である。
【００１６】
このようにして得られる本発明の金属微小球では変形抵抗は小さくなり、例えば上部台形型ダイアモンド圧子とＳＫＳ平板の下部加圧板とからなる微小圧縮試験器を用い、室温において測定した際の変位量１０％における変形抵抗が３５００ｍＮ以下を達成することができるので、接続端子部等に用いた際に、金属微小球が変形して端子部と金属球との接触面積が大きくなり、接続信頼性の向上が期待できる。また、金属微小球の直径分布や形状のバラツキに起因する接続信頼性の低下や、多層化した後の配線基における寸法精度が低下も変形抵抗を小さくすることで改善することができる。
【００１７】
さらに電気的信頼性の向上には、金属微小球の表面にはんだをコーティングしておくことが好ましい。金属微小球を電子部品の接続端子部等用いた際に、接続端子部を加熱してはんだを溶融させることにより電気的接続の信頼性を一層、向上することができるからである。
【００１８】
【実施例】
図１に記載のRFプラズマ装置を用いて、純度が９９．９９質量％以上のＣｕからなり、不純物酸素含有量が５０ｐｐｍ以下であるＣｕ金属片を用いて、目標直径が３００．０μｍの微小金属球を以下に示す製造条件で作製した。熱プラズマ炎に導入するＣｕ金属片は直径０．２ｍｍのワイヤを回転刃により、一定寸法に切断して作製した。
【００１９】
（製造条件）
金属片寸法：φ０．２ｍｍ×Ｌ０．４５０ｍｍ（体積１．４×１０^−５ｃｍ^３、Ｌ／φ＝２．２５）
プラズマ動作ガス：Ａｒ３０Ｌ／ｍｉｎ、Ｈ_２１Ｌ／ｍｉｎ、混合ガス
プラズマトーチ：水冷式石英管φ５０ｍｍ、高周波誘導コイルφ７０ｍｍ
チャンバ：最大内径φ８００ｍｍ、最大内高１５００ｍｍ
チャンバ内雰囲気：Ａｒガス雰囲気
原料供給装置：電磁フィーダー
高周波誘導コイル入力条件：４ＭＨｚ、１０ｋＷ
【００２０】
図１において、水冷管１０により冷却されているRFプラズマトーチ８は、プラズマ動作ガス供給装置１１によりプラズマ動作ガス供給位置６から供給されるプラズマ動作ガスと、コイル７から発生する高周波エネルギにより熱プラズマ炎３を発生する。
原料供給装置１（例えば電磁振動原料供給装置）に投入された所定の寸法に切断されたＣｕ金属片は、キャリアガスと共に原料供給位置２より熱プラズマ炎３内部の高温部（５０００〜１００００℃）に投入される。プラズマ炎中に投入された原料は瞬時に溶融し、表面張力により球状となる。
【００２１】
熱プラズマ炎の上流側に位置する原料供給位置２から供給された原料は、十分に加熱、溶融された状態で水素ガスを含有する精錬効果の高いプラズマ部分を通過し、酸化物などの不純物が低減される。
熱プラズマ炎内で処理された金属微小球はチャンバ４中を落下しながら不活性ガス雰囲気中で凝固し、金属微小球９として下部の金属微小球回収部５に集められ、回収される。
以上のようにして、表面酸化、汚染が少なく、粒径の揃った微小金属球を効率的に製造することができる。
【００２２】
上述の製造条件により得られた金属微小球について、粒径が大きく異なる金属微小球を取り除く為のふるい分級、及び二以上の金属球が連なったものを取り除く転がし分級（傾斜させた平板上で金属球を転がし、直進しないものを取り除く分級方法）を行い、プラズマ炎に導入した金属片の重量に対して、約３０％の重量の金属微小球を回収した。回収した金属微小球を用い、ＬＥＣＯ法により金属微小球における酸素含有量の分析を行った。結果を表１に示す。比較例として、直径が本発明の金属微小球と同じ３００μｍである市販のＣｕ微小球の酸素濃度を併せて示す。
表１に示すように、本発明の金属微小球は酸素含有量が２０ｐｐｍ以下と非常に低い値を達成することが出来ている。一方、比較例である市販のＣｕ微小球は３００ｐｐｍ上の以高い酸素値を示した。
【００２３】
【表１】

【００２４】
上記の評価に用いたものと同様の本発明例及び比較例の金属微小球について、図２に示す上部台形ダイアモンド圧子１２とＳＫＳ平板の下部加圧板１３とから構成される島津製作所製微小圧縮試験器ＭＣＴＭ５００を用いて微小圧縮試験を行った。測定は室温で行い、圧縮速度は２０７ｍｍ／ｓｅｃとした。
本発明例では金属微小球の直径が３００μｍから２７０μｍに変形した時点、即ち金属微小球の変形量が１０％となった時点での変形抵抗は２９００ｍＮ以下であった。一方、比較例では変形抵抗は３５００ｍＮを超える値となった。
【００２５】
以上の評価に加えて、分級後の本発明の金属微小球から無作為に１０００球を抽出し、平均直径、平均真円度を測定した。投影面積を円と仮定した場合の直径（円相当径）から平均直径を、真球度＝円相当径／最大径から平均真円度を算出して求めた結果を表２に示す。
【００２６】
【表２】

【００２７】
表２に示すように本発明の金属微小球においては、ほぼ目標とする直径で、真球度の高い金属微小球となっている。
したがって、本発明の金属微小球は直径分布や形状のバラツキが少なく、変形抵抗が少ないため、電気的な導通を要する端子部と金属微小球とが、点接触ではなく面接触となり、電気的な接続信頼性を向上することができる。
【００２８】
【発明の効果】
酸素含有量が低く、変形抵抗の小さい本発明の金属微小球は電子部品の接続端子部に適したものであり、配線基板の多層化や接続端子部の微小化において、電気的な接続信頼性、多層化後の配線基板における寸法精度を向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の金属微小球を製造する製造装置の一例を示す模式図である。
【図２】金属微小球の変形抵抗を測定する微小圧縮試験器の模式図である。
【符号の説明】
１．原料供給装置、２．原料供給位置、３．熱プラズマ炎、４．チャンバ、５．金属微小球回収部、６．プラズマ動作ガス供給位置、７．コイル、８．ＲＦプラズマトーチ、９．金属微小球、１０．水冷管、１１．プラズマ動作ガス供給装置、１２．台形型ダイアモンド圧子、１３．下部加圧板

Claims

純度が９９．９９質量％以上のＣｕからなり、表面酸化層を含む酸素含有量が５０ｐｐｍ以下、直径が４００μｍ以下であることを特徴とする金属微小球。
上部台形型ダイアモンド圧子とＳＫＳ平板である下部加圧板とからなる微小圧縮試験器を用い、室温において測定した際の変位量１０％における変形抵抗が３５００ｍＮ以下であることを特徴とする請求項１に記載の金属微小球。
溶湯から球状に凝固されてなることを特徴とする請求項１または２に記載の金属微小球。